Requisiti di collaudo per small cell LTE

Anritsu propone una vasta gamma di strumenti per il collaudo di small cell che rappresentano una delle più valide opzioni per “alleviare” il traffico che transita sulla rete fissa

Pubblicato il 25 novembre 2016

In un mondo sempre più wireless, il traffico dati su reti mobile sta crescendo a ritmi molto sostenuti a causa dell’aumento esponenziale del numero di applicazioni che richiedono capacità sempre maggiori. A livello globale, si prevede che il traffico dati mobile, consumer e business, crescerà con un tasso annuale rispettivamente del 59% e 51%, nel periodo 2014-2019. Ciò sta già costringendo gli operatori di rete mobile a utilizzare diverse alternative per ridurre il volume di traffico che attraversa la rete di accesso radio e il carico di segnalazione (overhead) del backhaul (rete di giunzione), offrendo allo stesso tempo una migliore fruizione da parte dell’utente e una gestione flessibile della capacità.

Fig. 1 – Possibili scenari di installazione di small cell

Inoltre, le previsioni future relative all’avvento del 5G indicano che la capacità della rete crescerà di alcuni ordini di grandezza (fino a 10 Gbit/s, velocità dati di picco per utenti statici, 1 Gbit/s picco per utenti a bassa mobilità e almeno 100 Mbit/s nelle aree urbane).

Una delle opzioni proposte per affrontare queste sfide è “alleviare” il traffico della rete fissa tramite small cell, che rappresentano la base per supportare queste previsione di crescita. Le small cell sono state previste dalle specifiche LTE fin dal loro esordio nella release 8 di 3GPP. La release 12 si pone ora l’obiettivo di migliorare questa tecnologia in relazione a questi due fattori:

  • riduzione dell’overhead di segnalamento imputabili a scenari di mobilità altamente dinamici creati dalle stesse small cell;
  • fornire modalità per aumentare la velocità dati attraverso l’utilizzo simultaneo di small cell e macro cell.

Small cell: una definizione

“Small cell” è un termine generico che si è introdotto quando gli operatori di telefonia mobile hanno iniziato a fornire i primi servizi basati su femtocelle. Il termine comprende anche sistemi DAS (Distributed Antenna System), picocelle e WiFi. L’obbiettivo finale delle small cell, o più in generale di qualsiasi sistema che supporta la tecnologia IBW (In-Building Wireless), è fornire una copertura di rete potenziata, solitamente misurata in termini di QoS KPI (quality of service key performance indicator) o RSSI (received signal strength indication), quando le macrocelle installate non sono in grado di soddisfare la domanda in maniera adeguata. Questo è solitamente il caso in cui gli utenti sono in condizioni di scarsa propagazione, come accade ad esempio all’interno di edifici che introducono una rilevante attenuazione del segnale, propagazioni multi-cammino (multipath) o affievolimento (fading) oppure quando, a causa della elevata concentrazione di utenti, la rete non è in grado di garantire a tutti un QoS minimo accettabile.

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Fig. 2A

Il RSSI (ovvero l’intensità del segnale) potrebbe essere basso a causa di rilevanti perdite di penetrazione (penetration loss) dovute alle strutture degli edifici. Un tipico esempio potrebbe essere un edificio con vetri a bassa emissività installati al fine di migliorare le prestazioni termiche dello stesso. Questo genere di materiale fa in modo che l’intero edificio si comporti come una gabbia di Faraday. In ambienti urbani ad alta densità, edifici adiacenti possono creare una barriera RF che blocca la copertura da macrositi nelle vicinanze. Gli edifici alti tipicamente hanno una scarsa copertura ai piani elevati dato che i macrositi di antenne, posti molti piani al di sotto, sono specificamente progettati per sopprimere l’energia radiante al di sopra dell’orizzonte e indirizzare l’energia verso gli utenti che si trovano in strada o a pochi metri sopra il livello stradale. La capacità potrebbe essere un problema in ambienti molto grandi, quali stadi, centri commerciali, o blocchi di uffici, dove molte centinaia, se non migliaia, di utenti potrebbero richiedere la possibilità di accedere simultaneamente alla rete.

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Fig. 2B

Parte del traffico che viaggia sulla rete fissa, che normalmente ha una capacità di alcuni ordini di grandezza più elevati se, per esempio, è disponibile tecnologia a fibra ottica oppure a onde millimetriche, è trasferito alla small cell. Quindi lo scopo principale delle small cell è ridurre la pressione sulla rete mobile in tutte quelle situazioni dove la congestione o una intensità ridotta del segnale potrebbe rappresentare un problema.

 

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Fig. 2C

Le small cell sono state prese in considerate da 3GPP (3rd Generation Partnership Project) e standardizzate nella release 8-LTE (Long Term Evolution), sebbene solo a partire dalla release 12 e successive le small cell hanno iniziato a essere considerate requisiti tecnologici fondamentali per l’ottimizzazione dell’utilizzo della rete. Questo processo viene descritto nel TR36.932 e ulteriormente analizzato negli studi successivi per quanto riguarda il livello fisico (physical layer) e i livelli superiori.

 

 

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Fig. 2D   Anritsu propone una vasta gamma di strumenti per il collaudo di small cell, come i VNA della serie ShockLine, il wireless test set MT8870A, il VNA MS2028C e l’analizzatore di spettro/segnali MS2830A

 

Scenari di installazione e messa in servizio

Ad alto livello, vi sono differenti scenari possibili per l’utilizzo delle small-cell per la copertura, a seconda che sia presente o meno una copertura da parte di macrocelle, oppure che le small cell vengano installate all’interno oppure all’esterno, o ancora se viene utilizzato un backhaul ideale (throughput con latenza molto bassa, come nel caso di collegamenti in fibra ottica) o non-ideale (xDSL, relaying o microonde). Questi scenari sono definiti nel 3GPP TR 36.872 e riportati in figura 1.

Nel caso di installazioni a doppia connettività, una apparecchiatura dell’utente (UE – User Equipment) dovrebbe essere in grado di trasmettere e ricevere segnali direttamente da e verso MeNB (macro-eNode B) e SeNB (Small Cell-eNode B), sia simultaneamente sia in altre modalità. Questo è uno dei casi di studio presi in esame per 5G: quando l’apparecchiatura utente sta ricevendo informazioni di controllo in downlink da MeNB e trasmettendo informazioni di controllo in uplink verso SeNB, riducendo sia i consumi di energia sia i livelli di interferenza.

Le small-cell tipicamente utilizzeranno una diversa distribuzione di frequenza rispetto a quella impiegata dalle macro cell che si sovrappongono. Le frequenze possono raggiungere i 3,5 GHz, dato che la copertura di un asmall-cell è limitata e la forza del segnale non è generalmente un problema. 3GPP specifica che tutte le bande di frequenza allocate alle reti di macrocelle possono essere utilizzate per applicazioni small cell, con un’attenzione partcolare alle bande di frequenza più elevate. Le small cell possono anche supportare la tecnologia CA (Carrier Aggregation) in combinazione con i carrier delle macrocelle laddove disponibili. Oltre a ciò, le small cell devono supportare sia la modalità FDD che TDD nelle macrocelle pochè esse sono installate nella rete di macrocelle dall’operatore.

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Fig. 3A

A livello fisico, prendendo in considerazione l’architettura della rete RAN (Radio Access Network), vi sono componenti digitali per bandabase, componenti radio e componenti d’antenna. 3GPP propone tre differenti architetture, a seconda della dislocazione dell’unità digitale (baseband), dell’unità radio (o unità radio per interni) e dei sistemi di antenna:

  • Distributed antenna Systems (DAS), dove l’elaborazione in banda base e e le funzioni radio sono centralizzate e l’antenna è dislocata nella migliore posizione possibile.
  • Distributed radio systems (DRS), dove l’elaborazione in bandabase è centralizzata, ma le funzioni radio e le antenne sono distribuite.
  • Distributed small cell (DSC), dove tutti gli elementi compresa l’elaborazione in bandabase sono distribuiti in ogni parte della struttura utilizzando stazioni base formate da small-cell base.
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Fig. 3B

DAS, DRS e DSC sono tre architetture differenti disponibili per implementare le funzionalità e garantire la copertura previste dalle tecnologie IBW (In-Building Wireless). La differenza è data dalla posizione fisica delle risorse radio e dell’elaborazione in bandabase del NEM (Network Equipment Manufacturer).

 

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Fig. 3C Verifica RF LTE-FDD su small-cell mediante l’utilizzo dell’analizzatore di segnali MS2830A di Anritsu

Incremento dell’efficienza di rete

Le brevi distanze tra UE e i nodi delle small cell nelle medesime installazioni offrono la possibilità di introdurre schemi di modulazione di livello superiore, come ad esempio 256-QAM per il downlink. In questo caso, una modulazione più densa fornisce un guadagno a livello di efficienza spettrale compreso tra il 15% e il 33%, ma solo in situazioni in cui l’ampiezza del margine di errore (EVM – Error Vector Magnitude) medio misurato sia inferiore al 4%.

Nei casi in cui sono utilizzate le small cell, i fenomeni di fading low frequency-selective e low time-selective imputabili alle ridotte distanze che il segnale deve percorrere permette la riduzione dell’overhead dei segnali di riferimento della particolare UE in downlink e uplink. Ciò va ad aggiungersi alla riduzione della quantità di banda utilizzata per i messaggi di controllo, alla riduzione delle interferenze attraverso la commutazione on/off manuale o dinamica delle celle e al bilanciamento o spostamento dinamico del carico.

Problemi di implementazione

Nel momento in cui è prevista l’installazione di small cell, è probabile che il traffico possa variare in modo significativo per due ragioni: in primo luogo, il numero di utenti per ogni nodo di small-cell è di solito relativamente ridotto a causa della limitata copertura mentre in secondo luogo il profilo di comunicazione è fortemente asimmetrico (dal punto di vista dell’uplink e del downlink), poiché la richiesta in downlink da parte dell’utente è tipicamente più elevata. Una delle maggiori preoccupazioni degli operatori di telefonia mobile è l’utilizzo di uno spettro affollato, come nel caso della banda a 5 GHz dove è alllocato il servizio WiFi (802.11a/n/ac) – attualmente con l’aggiunta di LTE-U/LAA.

Le migliorie apportate alle small-cell hanno l’obbiettivo di minimizzare gli effetti di carico della segnalazione (causati ad esempio da mobilità, effetti “ping-pong” e così via) sulla rete core oltre ad aumentare il traffico in backhaul dovuto all’incremento del numero dei nodi di small cell node e per soddisfare le esigenze di routing.

Collaudo delle small cell

Nei diversi stadi di sviluppo del sistema è necessario ricorrere a un gran numero di apparecchiature di test. Tipicamente, gli emulatori di elementi di rete o di terminali (UE) sono utilizzati durante lo stadio di progettazione per verificare funzionalità, scalabilità e prestazioni delle stazioni base. Inoltre, è richiesta l’esecuzione di misure RF durante l’intero ciclo di sviluppo, dai primissimi stadi di progettazione, dove l’attenzione è focalizzata sui parametri di scattering (misurati con uno strumento come il VNA ShockLine di Anritsu) fino alle verifiche in fase di produzione dove il segnale trasmesso viene misurato e analizzato attraverso misure spettrali e analisi della modulazione utilizzando strumenti multi-porta adatte per misure rapide come il wireless test set universale MT8870A o la di analizzatori di segnali MS2830A/MS269xA di Anritsu (Figg. 2 e 3).

Al fine di aiutare a risolvere e verificare le prestazioni prima e dopo l’installazione nelle situazioni in cui il percorso tra trasmettitore e ricevitore debba essere equalizzato, è disponibile un’ampia gamma di prodotti palmari, tra cui analizzatori di spettro, analizzatori di stazioni base e analizzatori per cavi/antenna. I test effettuati includono demodulazione di segnale 2G/3G/4G per valutare la qualità di segnale, insieme all’analisi delle prestazioni compresa l’analisi PIM (Passive InterModulation).

Con il traffico dati mobile che cresce esponenzialmente, e che non mostra segnali di rallentamento, gli operatori di reti mobile e i produttori di apparecchiature di rete affrontano un immediata sfida per fornire soluzioni alternative per “alleggerire” il traffico sulla rete. Le small cell o i sistemi wireless in-building si propongono come una valida soluzione per il bilanciamento del carico edesistono differenti alternative a seconda dell’architettura scelta per la messa in servizio. Scalabilità, costi e capacità sono tre elementi fondamentali che 3GPP e progettisti debbono valutare con comolta attenzione. 3GPP ha già annunciato studi e proposte per l’implementazione pratica di tutto ciò. La fase successiva prevede l’aumento della capacità (di un fattore fino a dieci), l’uso di bande spettrali più elevate (es. onde millimetriche), gestione avanzata della mobilità e una combinazione di small/femto cell e reti di tipo “self-organising”.

Juan Hidalgo, Anritsu



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